【正文】 ............. 31 附錄 1 交通燈電路圖 ..................................................................................... 32 附錄 2 交通燈控制程序 ................................................................................. 33 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 39 頁(yè) 基于單片機(jī)的 智能交通燈的設(shè)計(jì)與 仿真 1. 緒 論 課題背景 當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車(chē)輛最常見(jiàn)和最有效的手段。這一技術(shù)在 19 世紀(jì)就已出現(xiàn)了。 1858 年，在英國(guó)倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán) 兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車(chē)通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。 1868 年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩色以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示 “停止 ”，綠色表示 “注意 ”。 1869 年 1月 2 日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。 1914 年，電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市 5 號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示 “停止 ”，綠燈亮表示 “通行 ”。 1918 年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的 紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車(chē)輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來(lái)啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺(jué)到有人要過(guò)馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車(chē)放行，以免發(fā)生交通事故。 信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。 1968 年，聯(lián)合國(guó)《道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定》對(duì)各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車(chē)輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo) 志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車(chē)輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車(chē)輛和過(guò)人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號(hào)，面對(duì)紅燈的車(chē)輛必須在交叉路口的停車(chē)線后停車(chē)。黃燈是警告信號(hào)，面對(duì)黃燈的車(chē)輛不能越過(guò)停車(chē)線，但車(chē)輛已十分接近停車(chē)線而不能安全停車(chē)時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。 課題研究的意義 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了交通工具的現(xiàn)代化，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展則導(dǎo)致了交通量的急劇增長(zhǎng)并進(jìn)而加劇了交通擁擠與阻塞的嚴(yán)重程度，城市交通的規(guī)模與復(fù)雜 特征、傳統(tǒng)交通 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 39 頁(yè) 控制和交通擁擠一直是困擾世界各國(guó)的 一大 難題，日前美國(guó)每年由于交通擁擠造成的直接經(jīng)濟(jì) 損失達(dá) 2370 億美元 以上 ，而我國(guó)國(guó)內(nèi)百萬(wàn)人以上的大城市每年由交通擁塞造成的直接間接經(jīng)濟(jì)損失約計(jì) 1600 億元 以上 ，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的 %。解決城市交通問(wèn)題的根本路經(jīng) 大致 有兩條：一是加快交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；二是加強(qiáng)交通管理。前者是發(fā)展城市交通，滿足各種交通需求的物質(zhì)基礎(chǔ)；而后者則為合理使用現(xiàn)有交通設(shè) 施。保證人車(chē)的安全，在良好的交通環(huán)境下，使現(xiàn)有設(shè)施的能力得以 發(fā)揮。二者相比，由于在大城市新建和擴(kuò)建道路的可能性受空間制約越來(lái)越小。當(dāng)前城市交通管理的重點(diǎn)也側(cè)重于加強(qiáng)交通管理。對(duì)平面交叉口的研究一般都是應(yīng)用交通信號(hào) 在時(shí)間上給車(chē)輛分配通行權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在時(shí)間上的分離。 智能的交通信號(hào)燈指揮著人和各種車(chē)輛的安全運(yùn)行 ， 實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的自動(dòng)指揮是城鄉(xiāng)交通管理現(xiàn)代化的重要課題 。 在城鄉(xiāng)街道的十字交叉路口 ， 為了保證交通秩序和行人安全 ， 一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號(hào)燈 ， 其中紅燈亮 ， 表示該條道路禁止通行 ； 黃燈亮 ， 則 表示該條道路上未過(guò)停車(chē)線的車(chē)輛停止通行 ， 已過(guò)停車(chē)線的車(chē)輛繼續(xù)通行 ； 綠燈亮 ， 則 表示該條道路允許通行 。 交通燈控制電路自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換 ， 指揮各種車(chē)輛和行人安全通行 ， 從而 實(shí)現(xiàn)十字路口城鄉(xiāng) 交通管理自動(dòng)化。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前國(guó) 內(nèi) 外較為完善的交通信號(hào)控制系統(tǒng)主要有英國(guó)的 TRANSYT (Traffic Net work Study Tool)和 SCOOT(Split, Cycle and Of set Optimization Technique，綠信比、周期和相位差優(yōu)化技術(shù) )系統(tǒng)和澳大利亞的 SCATS (Sydney coordinated adaptive traffic system)， 悉尼協(xié)調(diào)自適應(yīng)交通系統(tǒng) )系統(tǒng)，以及美國(guó)、日本等國(guó)家開(kāi)發(fā)的一些系統(tǒng)，其中以英國(guó)的 SCOOT 系 統(tǒng)和澳大利亞的 SCATS 系統(tǒng) 相對(duì) 較為著名，它們?cè)谥袊?guó)的城市(如：上海、杭州、寧波等用的是 SCATS 系統(tǒng)；成都、大連、北京等用的是 SCOOT 系統(tǒng) )也得到了較好的應(yīng)用。但由于這些系統(tǒng)多為交通信號(hào)控制專(zhuān)用系統(tǒng)，因此 開(kāi)放性較差，難于同其它系統(tǒng)連接和協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)帶有一定的局限性，并且價(jià)格比較昂貴，沒(méi)有充分考慮到我國(guó) 現(xiàn)有 的國(guó)情 (如自行車(chē)交通流和行人的交通流等 )。我國(guó)近幾年經(jīng)過(guò)深入研究，也開(kāi)發(fā)出了一些適用于我國(guó)交通狀況的交通控制系統(tǒng)，主要有上海交通大學(xué)的SUATS 系統(tǒng)和南京、深圳等地研制的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在深入研究國(guó)外先 進(jìn)系統(tǒng)的基 礎(chǔ) 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 39 頁(yè) 上，融合了大量交警實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，以開(kāi)放型為前提，增加了符合國(guó)情的特殊功能。但還不成熟，控制效果也不是非常 好，沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。因此，結(jié)合我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)，建立一個(gè)相對(duì)廉價(jià)、獲取信息多且準(zhǔn)確、工作可靠、具有智能交通控制系統(tǒng)勢(shì)在必行 。 論文結(jié)構(gòu) 本論文簡(jiǎn)要設(shè)計(jì) 了一個(gè)基于單片機(jī)的智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與仿真，系統(tǒng)能夠根據(jù)十字路口雙車(chē)道車(chē)流量的情況控制交通信號(hào)燈按一 定的規(guī)律變化。 在緒論部分講述了本課題的研究背景與意義、國(guó)內(nèi)外智能交通控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。 在第二章中，基于緒論部分對(duì)單片機(jī)智能交通 控制系統(tǒng)的 部分 了解以及現(xiàn)實(shí)生活中的需求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出總體設(shè)計(jì)方案論證與選擇。首先，簡(jiǎn)單介紹基于數(shù)字電路交通燈控制系統(tǒng)、基于 PLC 的 交通燈控制系統(tǒng)和基于單片機(jī)的交通燈的控制系統(tǒng) 他們 各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后 經(jīng)過(guò)分析比較 ，選定用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能交通燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方案并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 在一、二章的基礎(chǔ)上 ，第三章完成了硬件電路的設(shè)計(jì)。本章主要分為單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì)和各 個(gè)外圍 電路模塊設(shè)計(jì) 第四章首先根據(jù)軟件設(shè)計(jì)流程圖簡(jiǎn)要介紹了軟件設(shè)計(jì)，并介紹了各個(gè)程序模塊的 基本 設(shè)計(jì)思想。 第五章簡(jiǎn)要介紹了 protues 軟件及電路繪制 并 且 詳細(xì)敘述了如何實(shí)現(xiàn)電路的仿真。 最 后是對(duì)本課題的總結(jié)與展望，概述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，前景和不足之處 及致謝、附錄、參考文獻(xiàn)等關(guān)于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的后續(xù)工作。附錄為系統(tǒng)的程序清單以及整體電路圖供閱讀參考。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 39 頁(yè) 2. 方案論證與設(shè)計(jì) 課題設(shè)計(jì)要求 ① 設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通燈控制電路，要求南北方向和東西方向 交叉路口的車(chē)輛交替運(yùn)行，兩個(gè)方向能根據(jù)車(chē)流量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間，車(chē)流量大，通行時(shí)間長(zhǎng)，車(chē)流量小，通行時(shí)間短。 ② 每次綠燈變紅燈時(shí) ,要求黃燈先亮 5 秒 ， 才能變換運(yùn)行車(chē)輛。 ③ 東西方向、南北方向車(chē)道除 了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時(shí)間都用數(shù)碼管顯示器進(jìn)行顯示（采用倒計(jì)時(shí)的方法）。 ④ 同步設(shè)置人行橫道紅、綠燈指示。 ⑤ 考慮到 特殊車(chē)輛情況，設(shè)置緊急轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 。 方案選擇與比較 基于數(shù)字電路的交通燈控制系統(tǒng) 數(shù)字電路是我們最常用的一種控制電路， 用純數(shù)字電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)，完成任務(wù)較困難， 且 電路過(guò)于復(fù)雜，對(duì)于電路各個(gè) 部分電路的設(shè)計(jì)連線非常復(fù)雜，且容易出錯(cuò)，最主要的是系統(tǒng)不靈活，如果需要更新，則需要重新設(shè)計(jì)電路圖，而且出錯(cuò)的時(shí)候難以復(fù)查。數(shù)字與模擬電路相結(jié)合，由于采用的電路和采用的元件 需要較大的電流才能工作， 對(duì)工作人員的素質(zhì)要求較高，元件出問(wèn)題時(shí)，工作維修人員對(duì)電路的檢修 非常不易，對(duì)于當(dāng)今電子產(chǎn)品日益精細(xì)化的今天，此方案不值得提倡，所以不選用。 基于 PLC 的交通燈控制系統(tǒng) P L C 是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子控制裝置，應(yīng)該是一個(gè)較理想的控制器選擇。 P L C 采用可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi) 部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令， 能通過(guò)數(shù)字量或模擬量的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 PLC 控制器的編程比較簡(jiǎn)單、易懂?？?PLC I/O口比較少，不能進(jìn)行大量的信號(hào)輸出、輸入。 基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng) 利用單片機(jī) AT89S52，借助總線作為現(xiàn)場(chǎng)通信總線實(shí)現(xiàn)智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè) 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 39 頁(yè) 計(jì)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)區(qū)域車(chē)流實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)進(jìn)行十字路口交通信號(hào)燈智能控制，并在軟、硬件方面采取一些改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)十字路口車(chē)流進(jìn)行交通信號(hào)燈智能控制， 可 使交通信號(hào)燈現(xiàn)場(chǎng)控制靈活、有效。從一定程度上解決了交通路口堵塞、車(chē)輛停車(chē)等待時(shí)間不合理、急車(chē)強(qiáng)通等 一些 問(wèn)題。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、實(shí)時(shí)性好、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景 。 總體方案設(shè)計(jì) 目前，國(guó)內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路門(mén)，在醒目位置用紅、綠、黃 這 三種顏色的指示燈。加上一個(gè)倒 計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來(lái)控制行車(chē)。對(duì)于一般情況下的安全行車(chē)，車(chē)輛分流能發(fā)揮作用，但根據(jù)實(shí)際行車(chē)過(guò)程中出現(xiàn)的情況，還存在不足 ：兩車(chē)道的車(chē)輛輪流放行時(shí)間相同且固定， 在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車(chē)道為主干道，車(chē)輛較多，放行時(shí)間 就 應(yīng)該長(zhǎng)些；另一車(chē)道為副干道，車(chē)輛較少，放行時(shí)間 就 應(yīng)該短些。為此針對(duì)道路交通擁擠，交叉路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的情況。利用單片機(jī)控制技術(shù)，提出了軟件和硬件設(shè)計(jì)方案及改進(jìn)措施：根據(jù)各道路路口車(chē)流量的 大小自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間。用單片機(jī)設(shè)計(jì)不但設(shè)計(jì) 很簡(jiǎn)單，而且成本不高 ，用其設(shè)計(jì)的交通燈也滿足了要求，所以本文采用單片機(jī)設(shè)計(jì)交通燈。 由于 AT89S52 單片機(jī)自單帶有 2 計(jì)數(shù)器， 6 個(gè)中斷源，能滿足系統(tǒng)的 基本 設(shè)計(jì) 要求，可畫(huà)出交通燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，為確保十字路口的交通安全， 都采用交通燈自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)控制交通信號(hào)。其中紅燈（ R）亮，表示禁止通行；黃燈（ Y）亮表示暫停；綠燈（ G）亮表示允許通行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 39 頁(yè) 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 東西檢測(cè)點(diǎn) 緊急控制開(kāi)關(guān) 南北紅綠黃燈時(shí)間顯示塊 東西紅綠黃燈時(shí)間顯示塊 T0 T1 AT89S52 南北檢測(cè)點(diǎn) 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 39 頁(yè) 3. 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用 AT89S52作為核心芯片 ， 負(fù)責(zé)管理和控制這個(gè)系統(tǒng)。先是從車(chē)流量檢測(cè)電路接收車(chē)流的信息 ， 然后把傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理 ， 產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息控制倒計(jì)時(shí)顯示電路、狀態(tài)燈顯示電路以及緊急車(chē)通過(guò)的工作。 并且 當(dāng)有緊急情況產(chǎn)生時(shí) ，本模塊還可及時(shí)中斷當(dāng)前的控制狀態(tài) ， 對(duì)意外情況進(jìn)行特殊處理。 AT89S52 介紹 對(duì)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先 對(duì)交通燈的核心控制芯片的基本結(jié)構(gòu)和特征以及主要引腳有比較詳細(xì)的了解。 AT89S52 是美國(guó) AT MEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器 ， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 51 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器 即 可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中， ATMEL 公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位 AT89S52 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89S52的引腳圖及引腳功能如圖 。 圖 AT89S52 引腳圖 AT89S52 有 P0、 P P P3 四個(gè) I/O 端口。在這四個(gè)并行 I/O 端口中，每個(gè)端口 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 39 頁(yè) 都有雙向的 I/O 功能， CPU 可以從四個(gè)并行的 I/O 端口中的任何一個(gè)輸出數(shù)據(jù)，也可以從任何一個(gè)輸入數(shù)據(jù)。每個(gè) I/O 端口內(nèi)部都有一個(gè)八位的數(shù)據(jù)輸出